KR101540235B1 - 단결정 잉곳제조장치 및 단결정 잉곳제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정 잉곳제조방법으로, 성장되는 잉곳의 직경을 줄여서, 실리콘 융액과 상기 잉곳을 분리하는 테일링 공정을 포함하는 잉곳제조방법에 있어서, 상기 테일링 공정의 공정조건을 달리하여 복수의 실험단 데이터를 수집하는 단계; 상기 실험단의 데이터 중에서 기준단으로 선정할 테일링 공정조건을 선정하는 단계; 상기 기준단으로 선정된 테일링 공정조건으로부터 기준 테일링 공정조건을 설정하는 단계; 및 상기 설정된 기준 공정조건에 따라 후속되는 잉곳의 테일링 공정을 진행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따르면 , 대구경 실리콘 단결정을 제조하는 경우, 테일링(Tailing) 공정에서 전위 발생 없이 대구경 단결정 잉곳을 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

단결정 잉곳제조장치 및 단결정 잉곳제조방법 {Apparutus and Method for Manufacturing Single Crystal Ingot}

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 잉곳제조장치 및 잉곳제조방법에 관한 것이다.

많은 반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조한다. 이때, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.

CZ에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법은, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 용융시킨 후, 종자결정을 융액 표면에 침지시키고, 종자결정을 인상시켜서 가늘고 긴 결정을 성장시키는 넥킹 공정과, 결정을 직경 방향으로 성장시켜 목표 직경으로 만드는 솔더링(shouldering) 공정을 거치게 된다.

이후에는 일정한 직경을 갖는 실리콘 단결정 잉곳을 원하는 길이로 성장시키는 바디 그로잉(body growing) 공정을 거치고, 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 점점 줄여나가 실리콘 융액과 잉곳을 분리하는 테일링(tailing) 공정을 거침으로써 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 완료된다.

종래기술에서 300mm 직경 이하의 실리콘 단결정 성장 시에는 테일링(Tailing) 공정에서 전위 발생률이 매우 낮아서 테일링(Tailing) 공정은 단지 실리콘 단결정 공정에서 실리콘 융액(Si Melt)과 실리콘 단결정을 분리하기 위한 공정으로만 인식되었다. 종래에는 성장하는 단결정의 직경의 크기만큼 테일링을 진행하였다.

그런데, 초크랄스키(czochralski, CZ) 법에 의해 대구경, 예를 들어 450mm 직경의 단결정을 성장하는 경우에는, 300mm 직경의 단결정보다 큰 볼륨(volume)을 가지고 있어 테일(Tail) 공정에서의 결정내부 열응력이 CRSS(Critical Resolved Shear Stress)보다 높게 되어 전위가 없는 실리콘 단결정을 생산하는 것이 기술적으로 어렵다.

즉, 450mm 이상의 대구경 실리콘 단결정 생산에서는 300mm 이하의 기존 실리콘 단결정 시와 유사하게 테일링 공정을 진행하면 전위가 발생하여 실리콘 단결정 수율이 매우 악화하는 현상이 발생한다.

또한, 테일링(Tailing) 공정 진행시 잉곳의 직경이 줄어들기 때문에, 직경 모니터링부(Auto Diameter Controller)로 테일의 직경을 측정할 수 없고, 육안으로도 확인이 힘들어서 정상적인 테일링 진행이 어려운 문제점이 있다

그리고, 상기와 같은 문제점들 때문에, 대구경의 잉곳의 테일링 공정 진행시에는 숙련된 기술자가 상주하여 공정을 관리해야 하는 문제점이 있다.

본 발명의 단결정 잉곳제조장치 및 잉곳제조방법은, 단결정 잉곳 생산시 테일링(Tailing) 공정에서 전위 발생이 없는 대구경의 단결정 잉곳제조방법을 제공하고자 한다.

본 실시예의 단결정 잉곳제조장치는, 종자결정을 이용하여 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 제조하는 장치로서,상기 잉곳을 제조하기 위한 일련의 공정이 수행되는 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버의 내부에 배치되고, 상기 실리콘 융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니를 가열하는 히터; 상기 종자결정을 상기 실리콘 융액에 침지하고 인상하여 잉곳을 성장시키는 인상수단; 상기 성장되는 잉곳의 직경을 센싱하는 직경 모니터링부; 및 상기 직경 모니터링부에서 센싱값을 전달받아서, 상기 인상수단이 잉곳을 인상하는 속도와 상기 히터의 파워를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 상기 잉곳의 테일링 공정 진행시, 상기 센싱값의 기울기가 변하는 지점에서 구간을 나누고, 상기 구간마다 상기 인상수단의 인상속도와 상기 히터의 파워를 변경하여 기준 공정조건으로 설정하며, 상기 제어부는 상기 기준 공정조건에 따라 후속되는 잉곳의 테일링 공정 진행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 실시예의 단결정 잉곳제조방법은, 성장되는 잉곳의 직경을 줄여서, 실리콘 융액과 상기 잉곳을 분리하는 테일링 공정을 포함하는 잉곳제조방법에 있어서, 상기 테일링 공정의 공정조건을 달리하여 복수의 실험단 데이터를 수집하는 단계; 상기 실험단의 데이터 중에서 기준단으로 선정할 테일링 공정조건을 선정하는 단계; 상기 기준단으로 선정된 테일링 공정조건으로부터 기준 테일링 공정조건을 설정하는 단계; 및 상기 설정된 기준 공정조건에 따라 후속되는 잉곳의 테일링 공정을 진행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

제안되는 본 발명의 실시예에 의하면, 대구경 실리콘 단결정을 제조하는 경우, 테일링(Tailing) 공정에서 전위 발생 없이 대구경 단결정 잉곳을 제조할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 테일링(Tailing) 공정시 실시간으로 공정 진행 상황을 파악할 수 있고, 공정 진행 상황에 따라서 공정조건의 보정이 가능하여 고품질의 잉곳을 제조할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 단결정 잉곳제조방법이 적용되는 단결정 잉곳제조장치를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 비정상적인 테일(a)과, 비정상적인 테일 공정 진행시 테일 길이에 따라서 직경 모니터링부에서 모니터된 센싱값(b)을 나타낸다.
도 3은 정상적인 테일(a)과, 정상적인 테일링 공정 진행시 테일 길이에 따라서 직경 모니터링부에서 모니터된 센싱값(b)을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 단결정 잉곳제조방법의 흐름도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 기준 공정조건을 설정하기 위하여 수집한 실험단들의 센싱값을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 기준 공정조건을 설정하기 위하여 수집한 실험단들의 테일부 형상을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라서, 직경 모니터링부의 센싱값에 따른 인상속도의 기준 공정조건을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라서, 직경 모니터링부의 센싱값에 따른 온도기울기의 기준 공정조건을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라서, 테일링 공정 진행시 직경 모니터링부의 센싱값에 따라서 공정조건을 보정한 결과를 나타내는 도면이다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 단결정 잉곳제조방법이 적용되는 단결정 잉곳제조장치를 개략적으로 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 단결정 잉곳제조장치는 챔버(100)와, 챔버(100)에 수용되어 실리콘 융액을 담는 도가니와, 도가니를 가열하는 히터(140)와, 종자결정이 연결되어 실리콘 융액을 끌어올리는 인상수단(150)과, 성장되는 잉곳의 직경을 모니터하는 직경 모니터링부(160)와, 상기 직경 모니터링부(160)로부터 센싱값을 전달받아 상기 인상수단(150)과 히터(140) 등을 제어하는 제어부(200) 등을 포함한다.

예를 들어, 본 발명의 실시예에서 잉곳제조장치는 챔버(100) 내부에 실리콘 융액이 수용되는 석영 도가니(110) 및 석영 도가니(110)의 외연을 지지하는 흑연 도가니(115)가 장착되고, 흑연 도가니(115)의 하부에서 하중을 지지하기 위한 지지수단(120)이 놓여지며, 지지수단(120)은 미도시된 도가니 회전부에 연결되어 회전 및 승강하는 받침대(130)(pedestal)에 결합될 수 있다.

상기 챔버(100)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.

그리고, 상기 흑연 도가니(115)의 외측에는 단결정 잉곳의 성장에 필요한 열에너지를 복사열로 공급하는 열원인 히터(140)가 배치되고, 히터(140)의 외연으로 히터(140)의 열이 챔버(100) 측면으로 방출되지 않도록 열을 차폐하기 위한 열차폐링과 측면 단열재로 구성되는 측면 열차페부가 배치되고, 히터(140)의 파워를 제어하기 위하여 히터(140)와 연결된 제어부(200)가 마련된다.

상기 챔버(100)의 상부에는 실리콘 융액에 인상수단(150)으로 연결된 종자결정을 디핑(deeping)시키고, 소정의 속도로 회전시키면서 인상시켜 잉곳을 성장시키는 인상수단(150)이 설치되고, 상기 인상수단(150)은 인상 속도를 제어하는 상기 제어부(200)에 연결되어 있다.

또한, 상기 직경 모니터링부(160)는 적외선 센서로 구성될 수 있고, 실리콘 융액과 성장되는 잉곳의 경계인 메니스커스(meniscus)의 빛 밝기를 아날로그 값으로 읽어 들인 후 디지털 값으로 변경하여 잉곳의 직경을 센싱할 수 있으며, 상기 센싱값을 상기 제어부(200)에 전송할 수 있다.

특히, 상기 제어부(200)는 직경 모니터링부(160)의 센싱값을 참고하여 잉곳의 제조를 위한 일련의 공정 및 공정 환경을 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(200)는 상기 히터(140)와 연결되어 히터(140) 파워를 조절함으로써 실리콘 융액의 온도를 제어할 수 있고, 상기 인상수단(150)에 잉곳의 인상속도를 제어할 수 있으며, 상기 도가니 회전부에 연결되어 도가니 회전속도를 제어할 수 있다.

상기 잉곳의 전위 발생여부는 인상속도(V)와 실리콘 융액의 온도기울기(G)의 비(V/G) 에 주로 의존하며, 종자결정 회전속도, 도가니 회전속도, 자기장의 사용 등이 부수적인 인자로 작용한다.

그러므로, 상기 제어부(200)가 전위 발생여부를 결정하는 인자들을 제어하는 것이 중요하고, 특히, 대구경 잉곳 제조시 잉곳 성장이 마무리되는 테일링 공정에서도 잉곳에 전위가 발생되므로, 상기 제어부(200)는 테일링 공정시에도 잉곳의 직경에 따라서 인상속도 및 온도기울기를 정밀하게 제어할 필요가 있다.

그런데, 상기 테일링 공정 진행시 잉곳의 직경이 점차 감소하기 때문에, 상기 직경 모니터링부(160)는 메니스커스를 측정할 수 없어서 잉곳의 테일부의 정확한 직경을 센싱할 수 없게 되는 상황이 발생해 버린다. 즉, 직경 모니터링부(160)는 테일부의 정확한 직경을 센싱하는 대신에 잉곳과 융액의 계면 밝기를 센싱하게 된다.

또한, 테일링 공정시 잉곳의 직경의 감소로 인하여, 잉곳 성장을 육안으로 관찰할 수 있는 뷰포트를 통해서도 잉곳의 테일부의 직경을 관찰하기 어렵다.

상기 제어부(200)는 직경 모니터링부(160)의 센싱값(잉곳의 직경)을 참고하여 인상속도와 온도기울기 등을 제어하므로, 테일링 공정시 잉곳의 직경이 센싱되지 않아서 정상적인 테일링 공정을 진행하는데 어려움이 있을 수 있다.

그런데, 상기 직경 모니터링부(160)는 테일링 공정시 정확한 테일부의 직경은 센싱할 수 없으나 테일부의 주변 밝기를 읽어 들여서 일정한 센싱값을 출력할 수 있고, 상기 제어부(200)는 이러한 센싱값을 기준으로 테일링 공정을 진행하여 정상적인 테일링 공정을 할 수 있다.

그러므로, 테일링 공정 진행시의 직경 모니터링부(160)의 센싱값과 테일부의 직경의 상관관계에 대하여 도 2와 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2와 도 3은 각각 비정상적인 테일부(도 2a)와 정상적인 테일부(도 3a)의 모습을 나타내며, 각각의 경우 테일부의 길이에 따른 직경 모니터링의 센싱값(도 2(b), 도 3(b))을 그래프로 나타낸다.

한편, 정상적인 테일링 공정에서는 전위 발생의 억제를 위하여, 결정내부의 열응력이 CRSS(Critical Resolved Shear Stress)보다 낮게 형성되어야 한다.

위 조건을 만족하는 정상적인 테일부는 일정한 길이와 직경의 감소 각도(테일링 각도)를 갖는다. 예를 들어, 450mm의 구경을 갖는 잉곳의 정상적인 테일부는 테일링 각도(Tailing Angle)는 55~60도 사이로 유지되고, 잉곳의 직경/테일부 길이의 비는 1.125 정도로 형성될 수 있다.

이러한 정상적인 테일부를 형성하기 위하여, 실시간으로 상기 테일부의 직경을 측정하고 이를 반영하여 제어부(200)가 공정을 제어할 필요가 있는데, 상기 직경 모니터링부(160)는 테일부의 직경을 측정하지 못하고 테일부 주변의 밝기만을 센싱한다.

그런데, 테일부의 주변 밝기는 테일부의 모양(또는 직경)에 의하여 결정될 것이므로, 센싱값과 테일부의 모양은 상관관계를 갖는다.

도 2(a)를 참조하면, 상기 테일부는 테일링 각도가 일정하게 유지되지 않고, 테일부의 길이도 짧으며, 잉곳의 내부에 전위가 발생된 비정상적인 테일부이다.

이때, 상기 테일부를 형성한 테일링 공정시 직경 모니터링부(160)에 의하여 센싱된 값(도 2(b))을 살펴보면, 상기 센싱값의 기울기는 일정한 규칙을 갖지 않고 급변하는 것을 확인할 수 있다.

그러므로, 상기 실험으로부터 테일부의 직경이 급변함에 따라서, 상기 센싱값의 기울기도 급변하는 것으로 해석이 가능하다.

도 3(a)을 참조하면, 상기 테일부는 테일링 각도가 일정범위 안에서 유지되고, 테일부의 길이도 적당한 정상적인 테일부이다.

이때, 직경 모니터링부(160)의 센싱값 그래프(도 3(b))를 보면, 테일링 공정 진행시 직경 모니터링부(160)에 의하여 센싱된 값은 구간을 나누어 일정한 기울기 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.

즉, 상기 그래프에서 테일부 길이의 구간이 0~25mm일 때는 직경 모니터링부(160)의 센싱값의 기울기(이하에서는 '기울기' 라고 한다)가 약 -30/mm이고, 25~50mm에서 기울기는 약 27/mm 이며, 50~200mm에서 기울기는 약 -9/mm 이고, 200~400mm에서 기울기는 약 0/mm 이다.

상기 실험결과의 차이를 통하여, 직경 모니터링부(160)는 테일링 공정 진행시 그 직경을 정확하게 감지할 수는 없지만, 주변의 밝기변화를 감지할 수 있으므로, 테일 모양(또는 직경)의 변화에 따라서 센싱값이 반응하여 일정한 규칙의 센싱값을 출력하는 것을 확인할 수 있다.

그리고, 기대하는 테일부의 형상으로 제조된 테일부들은 직경 모니터링부(160)에 의하여 센싱되는 값 역시 유사하다는 점에 기초하여, 상기 제어부(200)는 복수개의 테일링 공정 조건들로부터 바람직한 테일링 공정 조건을 선정할 수 있고, 선정된 공정조건에 따라 잉곳의 테일링 공정이 수행되도록 한다. 즉, 상기 제어부(200)는 복수개의 데이터들로부터 기준이 되는 공정 조건을 선정하고, 선정된 공정조건에 따라 테일링 공정을 수행함으로써, 기대하는 테일링 형상에 가까워지도록 한다.

그러므로, 상기 제어부(200)가 직경 모니터링부(160)의 센싱값을 이용하여 테일링 공정을 진행하는 잉곳제조방법을 도 4를 첨부하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 단결정 잉곳제조방법의 흐름도를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 단결정 잉곳제조방법은, 테일링 공정조건에 대한 복수개의 실험단 데이터를 수집하는 단계와(S100), 기준단으로 선정할 테일링 공정조건을 선정하는 단계와(S101), 기준단으로부터 기준 테일링 공정조건을 설정하는 단계와(S102), 설정된 기준 공정조건으로 테일링 공정을 진행하는 단계와(S103), 직경 모니터링의 센싱값에 따른 공정조건을 보정하는 단계(S104)를 포함한다.

먼저, 테일링 공정의 기준이 되는 공정조건을 설정하기 위하여 복수개의 실험단의 데이터들을 수집한다. (S100)

이때, 각 실험단의 테일링 공정은 센싱값의 기울기 변화에 따라서 구간을 나누고, 각 구간마다 일정한 온도기울기와 인상속도 변화율을 유지하여 공정을 진행한다.

즉, 상기 제어부(200)는 공정조건을 각각의 실험마다 변화하여 정상적으로 진행된 테일링 공정을 찾기 위한 실험이 진행된다.

여기서 공정조건이란, 센싱값의 기울기 변화에 따라서 나누어진 구간 마다 설정된 온도기울기와 인상속도 변화율을 의미한다.

테일부 길이(mm)	인상속도(%)	온도기울기(℃/mm)
0	100	0
25	70	3.4
50	75	2.7
200	100	3.1
400	700	6.5

표 1은 실험 데이터의 한 예를 나타낸다. 이때, 상기 인상속도 퍼센트(%)의 기준은 테일링 공정 초기 속도이다. 즉, 초기 인상속도를 100%로 산정하고, 현 인상속도를 초기 인상속도로 나누어서 인상속도(%)를 계산한다.

상기 실험에서는 테일부의 길이가 각각 25,50,200,400mm일 때 센싱값의 기울기가 급변하였으므로, 공정 구간을 0~25mm, 25~50mm, 50~200mm, 200~400mm 로 나눌 수 있고, 각각의 구간은 일정한 인상속도 변화율과 온도기울기로 공정이 진행 된다.

각각의 공정조건을 변화하여 실험단의 공정을 진행하고, 각각의 실험단의 데이터를 수집한 이후에는, 상기 데이터에서 기준 공정조건 설정을 위하여 실험단의 데이터를 선정한다. (S101)

도 5와 6은 각각 기준 공정조건을 설정하기 위하여 수집한 실험단들의 센싱값과 테일부 형상을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 450mm 잉곳의 테일부들은, 각각 테일부의 형상에 따라서 제 1 테일부(310)와, 제 2 테일부(320)와, 제 3 테일부(330)로 구분할 수 있다.

도 5의 그래프에서 제 1 테일부(310)를 형성에 따른 직경 모니터링부의 센싱값은 A가 나타내고, 제 2 테일부(320)는 B가 나타내고, 제 3 테일부는 C가 나타낸다.

상기 제 1 테일부(310)의 경우, 초반의 직경감소가 크고 단부에서 오히려 직경이 증가하였으므로 비정상적인 테일부에 해당한다.

그리고, 제 2 테일부(320)에 경우도 마찬가지로, 테일부의 중간부분부터 오히려 직경이 증가하였으므로 비정상적인 테일부에 해당한다.

상기 제 3 테일부(330)는 테일링 각도가 55~60도 사이로 유지되고, 테일부의 길이/잉곳의 직경의 비가 1.125 이내로 형성된 정상적인 테일에 해당한다.

상기 제어부(200)는 기준 테일링 공정조건의 설정을 위하여 제 3 테일부(330)와 같이 정상적으로 성장된 실험단들을 기준단으로 선정하고, 기준단으로 선정된 실험단의 공정조건들을 수집한 후 상기 공정조건들로 기준 공정조건을 설정한다.

한편, 상기 실험단의 데이터 값에서 센싱값의 기울기를 통하여 테일부 직경의 변화를 추론할 수 있다. 그리고, 추론된 셍신값의 기울기 변화와 테일부 직경변화의 상관관계를 통하여, 이후 테일링 공정 진행시 센싱값의 변화에 따라서 정상적인 테일부 형성을 위한 테일링 공정조건 보정을 할 수 있다.

그러므로, 센싱값의 기울기 변화와 테일부의 직경변화의 상관관계를 450mm 구경 잉곳의 테일링 공정을 예시로 들어 설명한다.

450mm 구경의 잉곳 테일링 공정에서 기울기의 변화에 따라 공정조건을 달리하여 공정을 진행하게 되면, 센싱값의 기울기는 3번 급변하게 되므로 4개의 공정 구간을 갖는다.

이하에서는, 센싱값의 기울기가 처음 변하기 전까지의 공정 구간을 제 1 공정구간(501)이라고 하고, 이후 각각 기울기가 변화하는 지점으로 구간을 나누어 각각의 구간을 순서대로, 제 2 공정구간(502), 제 3 공정구간(503), 제 4 공정구간(504)이라고 한다.

상기 제 1 공정구간(501)에서 테일링 공정이 시작되면, 잉곳의 직경이 감소하기 시작하면서, 직경 모니터링부(160)의 센싱값 또한 감소하게 된다. 즉, 제 1 공정구간(501)에서는 잉곳의 직경이 직경 모니터링부(160)에서 센싱되는 구간이므로, 센싱값은 잉곳의 직경에 비례하여 나타난다.

그러나, 잉곳의 직경이 감소하여 더 이상 직경 모니터링부(160)가 잉곳의 직경을 감지할 수 없게 되면, 직경 모니터링부(160)의 센싱값은 오히려 증가하기 시작한다.

상기 센싱값이 증가하는 구간이 제 2 공정구간(502)에 해당한다.

상기 제 2 공정구간(502)에서 도 5의 실험 데이터를 참조하면, 제 1 테일부(310)의 상부는 테일링 각도가 매우 크고 이에 비례하여 센싱값(A)의 기울기 값 또한 매우 큰 것을 알 수 있다. 이에 반하여, 제 3 테일부(330)의 상부는 테일링 각도가 완만하고, 센싱값(C)의 기울기 값도 작은 것을 확인할 수 있다.

그러므로, 제 2 공정구간(502)에서 센싱값의 기울기 값이 클수록 테일의 직경의 감소되는 정도도 더 커진다는 것을 알 수 있다.

상기 센싱값이 급격하게 증가된 이후에는, 다시 센싱값이 감소하기 시작한다. 이와 같이, 센싱값이 다시 감소하기 시작하는 구간이 제 3 공정구간(503)에 해당한다.

상기 제 3 공정구간(503)에서 센싱값의 기울기는 음수이므로, 기울기의 대소 설명의 편의를 위하여 기울기의 크기, 즉 기울기의 절대값으로 설명한다.

상기 제 3 공정구간(503)에서 제 1 테일부(310)와 제 2 테일부(320)를 살펴보면, 센싱값(A, B)의 기울기 크기가 큰 것을 알 수 있고, 제 1 테일부(310)와 제 2 테일부(320)의 중간부 직경은 오히려 더 커지게 되는 것을 확인할 수 있다.

이에 반하여, 제 3 테일부(330)의 경우에는 센싱값(C)의 기울기의 크기가 작고, 제 3 테일부(330)의 중간부 직경은 일정하게 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 제 3 테일부(330)의 중간부는 테일링각도가 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

제 3 공정구간(503)에서는 기울기의 크기 값이 크게 되면 테일부의 직경은 감소되지 않고 그대로 유지되거나 오히려 커지게 나오는 것이고, 감소되는 기울기의 크기가 작으면 테일부의 직경은 감소되는 것이다.

한편, 공정조건의 보정은 주로 제 3 공정구간(503)에서 일어나는데, 그 이유는 제 3 공정구간(503) 진행시 기준 기울기가 +10% 이상으로 벗어나는 경우에는 직경이 줄어들지 않아서 아이싱(icing)이 발생할 위험이 높고, 기울기가 -10%로 벗어나는 경우에는 직경이 급격히 줄어들어 팝 아웃(pop out)의 발생 위험 높기 때문에, 제 3 공정구간(503)에서는 센싱값의 기울기를 정밀하게 유지해야 할 필요가 있다.

이때, 아이싱이란 결정 성장 중 융액이 온도가 낮아져 융액 표면에서부터 고체 결정화가 되는 현상을 의미하며, 팝 아웃이란 결정 성장 중 융액의 온도가 높아지거나 운영 상의 문제로 결정이 융액으로부터 떨어져 나가는 현상을 의미한다.

그리고, 제 3 공정구간(503) 이후에는 센싱값의 변화가 거의 없어지는 구간이 발생하는데, 상기 구간은 제 4 공정구간(504)에 해당한다.

상기 제 4 공정구간(504)의 경우에 센싱값의 변화와 테일링 모양의 상관관계는 제 3 공정구간과 동일하다.

한편, 제 3 테일부(330)와 같이 정상적인 테일부를 형성한 실험단을 선정하여 기준단을 뽑고, 기준단의 공정조건으로부터 기준 테일링 공정조건을 설정한다. (S102)

예를 들어, 테일링 각도와 테일부의 길이의 상하한을 정하고, 상기 상하한에 속하는 테일부를 형성한 실험단들을 기준단으로 선정할 수 있다. 이후, 각 기준단의 공정조건들의 평균치를 기준 테일링 공정조건으로 설정할 수 있다.

또한, 가장 이상적인 테일부를 형성한 실험단을 기준단으로 선정하여, 상기 실험단의 공정조건을 기준 공정조건으로 설정하는 것도 가능하다.

도 7과 도 8은 각각 기준 공정조건으로 설정된 인상속도와 온도기울기의 예시이다.

기울기(센싱값/mm)	인상속도 변화율(%/mm)	온도기울기(℃/mm)
-30/mm	-1.2%/mm	3.4
27/mm	0.2%/mm	2.7
-9/mm	0.167%/mm	3.1
0/mm	3%/mm	6.5

표 2는, 도 7과 도 8의 기준 공정조건 그래프를 표로 나타낸 것이다.

즉, 기준 공정조건은 각 구간별로 인상속도 변화율과 온도기울기가 일정한 값으로 설정된 것을 포함하고, 정상적인 테일링 공정이 진행되는지를 확인하기 위하여 각 구간마다 지표가 되는 센싱값의 기울기가 설정될 수 있다.

이하에서는 각 구간마다 지표가 되는 센싱값의 기울기를 '가이드수치'라고 하며, 기준이 되는 테일링 공정조건이 선정된 다음, 상기 기준 공정조건에 따라 테일링 공정을 수행하는 때에, 직경 모니터링부에 의하여 측정되는 센싱값이 상기 가이드수치와 일치하거나 소정 범위 이내에 존재하지 않으면, 본 발명에 따라 공정 조건이 일부 수정된다.

즉, 제 1 공정구간의 공정조건은 인상속도 변화율이 -1.2%/mm 로 설정되고, 온도기울기는 3.4℃/mm 로 설정되며, 이때, 공정 진행 중에 직경 모니터링 부의 센싱값의 기울기는 약 -30/mm 가 되도록 가이드수치가 설정된다.

그리고, 제 2 공정구간의 공정조건은 인상속도 변화율이 0.2%/mm로 설정되고, 온도기울기는 2.7℃/mm 로 설정되며, 이때, 가이드수치는 약 27/mm 로 설정된다.

제 3 공정구간의 공정조건은 인상속도 변화율이 0.167%로 설정되고, 온도기울기는 3.1℃/mm 로 설정되며, 이때, 가이드수치는 약 -9/mm으로 설정된다.

그리고, 제 4 공정구간의 공정조건은 인상속도 변화율이 3%/mm 로 설정되고. 온도기울기는 6.5℃/mm로 설정되며, 이때, 가이드수치는 약 0/mm 로 설정된다.

상기 기준 공정조건 예시에서 인상속도 변화율과 온도기울기는 상수값으로 설정하였으나, 상기 상수값에서 약간의 변동이 있어도 무방하다. 예를 들어, 구간이 바뀌는 경우, 인상속도 변화율과 온도기울기가 이전 구간의 설정 값에서 이후 구간의 설정 값으로 급변하는 것보다는 유연하게 설정된 목표값으로 변화해 가는 것이 유리할 수 있다.

상기 기준 공정조건이 설정된 후, 상기 기준 공정조건으로 테일링 공정을 진행하게 된다. (S103)

그런데, 상기 기준 공정조건으로 테일링 공정 진행시, 여러 다른 변수에 의하여 기준 공정조건에 기준단의 센싱값(가이드수치)과 다른 센싱값을 갖는 경우가 발생한다. 그리고, 센싱값이 다르다는 것은, 테일부의 모양이 기준단의 테일부 모양과 다르다는 것을 의미하고, 이는 비정상적인 테일링 공정이 실시된 것을 의미한다.

즉, 결정 성장 시 같은 공정조건으로 진행하여도 결정 성장 조건이 각각 다르기 때문에 테일부의 모양은 달라질 수 있다는 것이다.

그러므로, 상기 제어부(200)는 테일링 공정을 기준 공정조건에서 실시하면서, 실시간으로 직경 모니터링부(160)로부터 센싱값을 전달받아서, 가이드수치와 실시되는 테일링 공정의 기울기의 차이를 비교하여 공정조건을 보정할 필요가 있다.(S104)

상기 직경 모니터링의 센싱값에 따른 공정조건의 보정단계를, 도 8을 참조하여 설명한다.

테일링 공정 진행시, 인상속도를 증가시키면 잉곳의 직경이 줄어들게 되고, 온도기울기를 증가시키면 잉곳의 직경이 줄어들게 된다.

그러므로, 상기 센싱값에 따라서 테일부의 직경을 파악했을 때, 테일부의 직경이 기준단에 비하여 크게 감소하는 경우에는 인상속도를 감소시키거나 온도기울기를 줄여서 직경의 급격한 감소를 막을 수 있다.

반대로, 테일부의 직경이 기준단에 비하여 감소하지 않거나 오히려 증가하는 경우에는 인상속도를 증가시키거나 온도기울기를 늘려서 직경을 감소시킬 수 있다.

이를 이용하여, 상기 제어부(200)는 직경 모니터링부(160)로부터 실시간으로 센싱값을 전달받아서 테일부의 직경을 파악한 후, 기준단에서 설정된 가이드수치와의 차이를 반영하여 공정조건의 보정을 할 수 있다.

예를 들어, 제 3 공정구간에서 테일링 진행시 기울기 값이 기준단의 기울기 값의 +10% 이하로 벗어나는 경우에는, 테일부의 직경이 줄어들지 않는다는 의미이므로 인상속도를 기준 인상속도보다 '기울기 값이 가이드수치에서 벗어난 퍼센트만큼' 높여주는 보정을 한다. 즉, 기울기 값이 가이드수치보다 10% 높은 경우 인상속도를 기준 인상속도보다 10% 높여 진행할 수 있다.

반대로, 기울기 값이 기준단의 기울기 값의 -10% 이하로 벗어나는 경우는, 직경이 줄어들고 있으므로 인상속도를 기울기 값에서 벗어난 퍼센트만큼 낮춰서 진행한다.

상기 기울기 값이 기준단의 가이드수치 보다 적게 벗어날수록 쉽게 보정이 가능하며, 대략 10% 범위까지는 인상속도로만 보정이 가능할 수 있다. 그 이상인 경우 온도 기울기 보정까지 추가하여 진행할 수 있다.

하지만, 온도기울기 보정의 경우, 보정된 값이 센싱값의 기울기에 반영되기까지의 리드 타임(Lead time)이 걸리므로, 보정 이후 소정의 시간이 지난 후 센싱값의 변화를 확인하여 보정을 진행해야 한다.

도 9는 테일링 공정 진행시 직경 모니터링부(160)의 센싱값에 따라서 공정조건을 보정한 결과를 나타내는 예시이다.

도 9를 참조하면, 제 3 공정구간에서 기울기값이 기준단의 기울기 값 보다 -9% 벗어나 성장속도를 -9% 보정하여 진행한 결과 200mm 이후부터는 기준단의 기울기 값과 유사하게 테일링 공정을 진행하는 것을 확인 할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 실시예의 단결정 잉곳제조장치와 잉곳제조장법에 의해서, 자동으로 테일링 공정을 진행할 수 있고, 테일링 공정시 전위 발생을 방지할 수 있으며, 테일링(Tailing) 공정시 실시간으로 공정 진행 상황을 파악하여 공정조건의 보정이 가능하므로 고품질의 잉곳을 제조할 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.

100: 챔버
110: 석영 도가니
115: 흑연 도가니
120: 지지수단
130: 받침대
140: 히터
150: 인상수단
160: 직경 모니터링부
200: 제어부

Claims (6)

1. 종자결정을 이용하여 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 제조하는 장치로서,
   상기 잉곳을 제조하기 위한 일련의 공정이 수행되는 공간을 제공하는 챔버;
   상기 챔버의 내부에 배치되고, 상기 실리콘 융액을 수용하는 도가니;
   상기 도가니를 가열하는 히터;
   상기 종자결정을 상기 실리콘 융액에 침지하고 인상하여 잉곳을 성장시키는 인상수단;
   상기 성장되는 잉곳의 직경을 센싱하는 직경 모니터링부; 및
   상기 직경 모니터링부에서 센싱값을 전달받아서, 상기 인상수단이 잉곳을 인상하는 속도와 상기 히터의 파워를 제어하는 제어부; 를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 잉곳의 테일링 공정 진행시, 상기 센싱값의 기울기가 변하는 지점에서 구간을 나누고, 상기 구간마다 상기 인상수단의 인상속도와 상기 히터의 파워를 변경하여 기준 공정조건으로 설정하며,
   상기 제어부는 상기 기준 공정조건에 따라 후속되는 잉곳의 테일링 공정 진행하고,
   상기 제어부는 상기 기준 공정조건내에서 상기 직경 모니터링부에 의하여 측정된 센싱값을 가이드수치로 설정하고,
   상기 제어부는 상기 직경 모니터링부에서 측정되는 센싱값과 상기 가이드수치를 비교하여 상기의 후속되는 잉곳의 테일링 공정을 보정하는 단결정 잉곳제조장치.
   
2. 삭제
3. 성장되는 잉곳의 직경을 줄여서, 실리콘 융액과 상기 잉곳을 분리하는 테일링 공정을 포함하는 잉곳제조방법에 있어서,
   상기 테일링 공정의 공정조건을 달리하여 복수의 실험단 데이터를 수집하는 단계;
   상기 실험단의 데이터 중에서 기준단으로 선정할 테일링 공정조건을 선정하는 단계;
   상기 기준단으로 선정된 테일링 공정조건으로부터 기준 테일링 공정조건을 설정하는 단계; 및
   상기 설정된 기준 공정조건에 따라 후속되는 잉곳의 테일링 공정을 진행하는 단계; 를 포함하는 단결정 잉곳제조방법
   
4. 성장되는 잉곳의 직경을 줄여서, 실리콘 융액과 상기 잉곳을 분리하는 테일링 공정을 포함하는 잉곳제조방법에 있어서,
   상기 테일링 공정의 공정조건인 잉곳의 인상속도와 히터파워를 달리하여 복수의 실험단 데이터를 수집하는 단계;
   상기 실험단의 데이터 중에서 기준단으로 선정할 테일링 공정조건을 선정하는 단계;
   상기 기준단으로 선정된 테일링 공정조건으로부터 기준 테일링 공정조건을 설정하는 단계; 및
   상기 설정된 기준 공정조건에 따라 후속되는 잉곳의 테일링 공정을 진행하는 단계; 를 포함하고,
   상기 실험단의 데이터 중에서 기준단으로 선정할 테일링 공정조건을 선정하는 단계에서,
   상기 기준단 선정의 조건은 상기 잉곳의 테일링 각도가 50 이상으로 유지되는 것인 단결정 잉곳제조방법.
   
5. 삭제
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 기준 공정조건은 상기 잉곳의 테일부의 직경을 센싱하여 얻은 가이드수치를 포함하고,
   상기 후속되는 잉곳의 테일링 공정을 진행하는 단계에서, 잉곳의 테일부의 직경을 측정한 센싱값과 상기 가이드수치를 비교하여, 상기 잉곳 인상속도 또는 상기 실리콘 융액의 온도기울기를 보정하는 잉곳제조방법.
   
   

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